纳米材料的力学和电学性能

纳米材料的力学和电学性能及其应用

摘要：主要介绍了纳米材料的力学性能（包括超硬、高强、高韧、超塑性以及高性能陶瓷）和电学性能（包括压敏材料、量子器材、非线性电阻等），以及这些性能的应用。

关键词：纳米材料；力学性能；电学性能；应用领域。

随着人类社会的发展和进步，现代科学技术探索的主要领域有：航空航天、火箭、卫星；热核反应发电站；深海探索；高温燃气轮机；高压贮罐以及生物环境仿生学等。在大多数情况下，其工作条件非常复杂和恶劣。如：超高压、超高温、超真空、强辐射、强腐蚀等，这些恶劣的条件对我们的材料提出了更高的要求。而传统的金属、非金属等材料已经远远不能满足这些极其苛刻的要求了，这就需要我们发展新型的高性能材料。这时，纳米材料以其卓越的性能进入了人们的视野，纳米材料在力学和电学方面的性能满足了多领域的需求。

普通多晶材料的强度(或硬度)。随晶粒尺寸d的变化通常服从Hall一Peteh关系

Σ＝σ＋ｋｄ－１／２

其中,为σ一强度常数 , k为一正常数。即随晶粒细化材

料的强度(或硬度)按d－１／２关系线性增大。Schi等人利用分子动力学计算模拟 ,发现在０及300 K ,纳米 C u (晶粒尺寸在 6一13 n m范围)屈服强度和流变强度均表现出反常 H al l一Petch关系,即 k < 0 。表明“理想”纳米材料(无污染、全致密、完全驰豫态、细小均匀晶粒) 的性能可能与常规多晶材料完全不同。

材料超塑变形基本上是晶界在高温下滑移造成的。根据晶界滑移的理论模型, 如 Coble晶界扩散蠕变模型, 其形变速率ε可表述为

ε＝ＢωσξＤｇｂ／ｄ３ＫＴ

其中σ为拉伸应力,ω为原子体积 , d为平均晶粒尺寸, B为常数, Ｄｇｂ为晶界扩散率, ξ为晶界厚度, k为Boltzmnn常数。

介电特性是材料的重要性能之一, 当材料处于交变电场下, 材料内部会发生极化, 这种极化过程对交变电场有一个滞后响应时间, 即弛豫时间。弛豫时间长, 则会产生较大的介电损耗。纳米材料的微粒尺寸对介电常数和介电损耗有很大影响, 介电常数与交变电场的频率也有密切关系。例如纳米TiO2在频率不太高的电场作用下,介电常数是随粒径增大而增大,达到最大值后下降,出现介电常数最大值时的粒径为178nm。一般讲, 纳米材料比块体材料的介电常数要大, 介电常数大的材料可以应用于制造大容量电容器, 或者说

在相同电容量下可减小体积, 这对电子设备的小型化来讲很有用。

一维纳米材料有望成为纳米装置中的连接线和功能单元，如用做扫描隧道显微镜(STM)的针尖、光导纤维、超大规模集成电路(ULSCI) 中的连线、微型钻头等。

一维纳米材料在光电转换效应方面有很多特有的性能，当金属纳米微粒埋藏于半导体介质中，纳米微粒要向周围介质输运电子，在微粒表面形成电荷积累，于是界面的等效位垒高度降低，当电子受到光的激发，电子容易逸出薄膜表面而发射到真空中去。

纳米材料在微电子学上的应用：连接超高密度集成线路元件的纳米导线，日本理化研究所科学家青野正和等使用有机导电高分子材料研制出线宽仅为3纳米的极微细导线, 大大突破了现在半导体加工技术的极限线宽1oonm;

制备金属鲍缘体多层膜的新方法,中国科技大学通过紫外光照射的方法将有机混合溶液中的无机 A g 盐还原,合成出被有机配位体所包裹的稳定的 A g 纳米颗粒; 然后利用电泳法将这些有机配位体包裹的 Ag 纳米粒子沉淀到涂碳显微栅格上;

纳米陶瓷基板,低温共烧多层基板(LTCC),可采用AgPd一Cu 等电阻率低的金属作多层布线导体材料, 可使布线更加细微化,提高布线密度和组装密度;

纳米导电浆料,日本川崎制铁公司采用0 .1 一 1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替把与银等贵金属。在钨颗粒中附加0.1 % 一 0. 5 % 重量比的超微镍颗粒后,可使烧结温度从3000 ℃降低到1200 一 1300 ℃,可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片;

单电子纳米器件及量子器件,如日本的日立公司研制出了单电子晶体管; 日本有研究人员成功制造出能在室温下运行的单电子记忆器件,以北威州纳米研究联合会和埃森大学为首的多家德国科研机构,制成了单电子纳米开关的原型,美国已研制出了由激光驱动只有4纳米大的纳米开关,美国威斯康星大学已研制出可容纳单电子的量子点, 利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件 ,在微龟子和光电子领域将获得广泛地应用。

航空、航天、微电子等新技术的迅速发展，要求铜材料抗拉强度在300Mpa以上，抗软化温度高于800K.而纯铜和现有牌号铜合金的难以满足应用要求。在这种背景下，高强度Cu基复合材料越来越多地受到研究人员的重视。这就要求选用适当的增强相，充分发挥增强相的强化作用，以满足材料设计性能的要求。纳米颗粒增强金属基复合材料是将颗粒增强物加入金属基体中而制成，显著提高了金属的强度和模量，提高了耐磨耐热性和高温力学性能，降低了热膨胀系数。这类复合材料最大的特点是可以用常规的粉末冶金、液态金

属搅拌、液态金属挤压铸造、真空压力浸渗等方法制造，并可用铸造、挤压、锻造、轧制、旋压等加工方法进行加工成型，制造方法简单，制造成本低，适于大批量生产。

Cu-Al2O3纳米复合材料是以Al2O3纳米颗粒为强化相的Cu基复合材料，，具有优良物理性能和力学性能，既具有高的强度和良好的塑性，且导电性及导热性与纯铜相近，而且还有良好的抗高温软化能力，抗电弧侵蚀和抗磨损能力，是一种具有广泛应用的新型材料。是制备电阻焊电极、缝焊滚轮、焊炬喷嘴、电器工程开关触桥、发电机的集电环、电枢、转子、电动工具换向器、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、电车及电力火车架空导线等的优良材料。目前，国外已将Cu-Al2O3复合材料应用于以下几个方面：①代替银基触头材料。近年来，各类开关所用银基触头材料猛增，出现了供不应求的局面。我国是一个银缺乏国，为了生产银基触头材料，每年需进口大量的银，花费了大量的外汇。采用Cu-Al2O3复合材料作触点材料在直流马达中代替AgCdO15或AgCu20材料，寿命为20~30万次，AgCdO15寿命为10万次，AgCu20仅为0.2万次。②作导电弹性材料及计算机框架引线。Al2O3微粒随温度的增高，强度、硬度下降很少，当温度大于250℃时，其强度就超过了Cu-Be合金。在计算机中可用作引线材料，其强度与Fe-42%Ni相当。

③用于微波管结构，导电及点焊接电极材料，其用于点焊接